intTypePromotion=3

Nghiên cứu, xây dựng hệ thống trạm quan trắc môi trường trên nền tảng Android

Chia sẻ: ViBoruto2711 ViBoruto2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

0
9
lượt xem
1
download

Nghiên cứu, xây dựng hệ thống trạm quan trắc môi trường trên nền tảng Android

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết nghiên cứu này đề xuất xây dựng một hệ thống quan trắc với các tính năng cải tiến và hiệu quả hơn nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu cầu dự báo thời tiết hiện nay.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu, xây dựng hệ thống trạm quan trắc môi trường trên nền tảng Android

ISSN: 1859-2171<br /> <br /> TNU Journal of Science and Technology<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG<br /> TRÊN NỀN TẢNG ANDROID<br /> Nguyễn Thị Dung1, Lê Hoàng Hiệp1*,<br /> Dương Thị Quy , Trần Thị Yến2, Nguyễn Thị Thu Thủy2<br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên,<br /> 2<br /> Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Hiện nay khí hậu toàn cầu đã và đang biến đổi mạnh mẽ với tần suất và cường độ ngày càng gia<br /> tăng trên toàn thế giới đã gây ra nhiều thiệt hại nặng nề cho nhiều khu vực trên thế giới, đặc biệt<br /> tại Việt Nam đã xảy ra nhiều hiện tượng thời tiết phức tạp như: mưa, rét kéo dài, bão lốc và áp<br /> thấp nhiệt đới hoạt động bất thường không theo quy luật, mùa mưa ít mưa, hạn hán nghiêm trọng<br /> thiếu nước sinh hoạt và sản xuất trên diện rộng, nguy cơ cháy rừng rất cao,…nên rất cần có các<br /> giải pháp hoặc hệ thống, thiết bị có thể đưa ra các cảnh báo sớm, hiệu quả để hạn chế các thiệt hại<br /> do thiên tai, môi trường gây ra. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, nghiên cứu này đề xuất xây dựng<br /> một hệ thống quan trắc với các tính năng cải tiến và hiệu quả hơn nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu<br /> cầu dự báo thời tiết hiện nay.<br /> Từ khóa: Hệ thống quan trắc, nền tảng Android, quan trắc, dự báo thời tiết, thời tiết<br /> Ngày nhận bài: 10/4/2019;Ngày hoàn thiện: 04/5/2019;Ngày duyệt đăng: 07/5/2019<br /> <br /> RESEARCH AND BUILDING OF THE ENVIRONMENTAL MONITORING<br /> SYSTEM BASED ON ANDROID OPERATING SYSTEM<br /> Nguyen Thi Dung1, Le Hoang Hiep1*,<br /> Duong Thi Quy , Tran Thi Yen2, Nguyen Thi Thu Thuy2<br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> University of Information and Communication Technology – TNU,<br /> 2<br /> Nam Dinh University Of Technology Education<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Nowadays, global climate has been changing strongly with increasing frequency and intensity all<br /> over the world which has caused heavy damage to many areas of the world, especially in Vietnam<br /> there were many complicated weather phenomena such as rain, prolonged cold weather, hurricanes<br /> and tropical depressions are unusually irregular, the rainy season is less rainy, serious drought<br /> lacks water for daily life and production for wide-ranging, the risk of forest fire is very high ... so it<br /> is necessary to have solutions or systems and equipment that can give early and effective warnings<br /> to limit the damage caused by natural disasters and the environment. Stemming from that fact, this<br /> study proposes to build a monitoring system with improved and more efficient features to better<br /> meet the current weather forecast requirements.<br /> Keywords: Monitoring System, Android Platform, Monitoring, Weather Forecast, Weather<br /> Received: 10/4/2019; Revised: 04/5/2019;Approved: 07 /5/2019<br /> <br /> * Corresponding author: Tel: 0984 666500; Email: lhhiep@ictu.edu.vn<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> 125<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Các quy luật khí hậu bị phá vỡ khiến ngành<br /> khí tượng thủy văn ngày càng gặp nhiều khó<br /> khăn trong việc dự báo, cảnh báo. Với sự phát<br /> triển của xã hội ngày nay, việc dự báo thời<br /> tiết đón đầu những vận động của thiên nhiên<br /> phục vụ cho đời sống cộng đồng khiến công<br /> tác khí tượng thủy văn ngày càng đóng vai trò<br /> quan trọng trong việc bảo vệ con người và tài<br /> sản. Trong khi đó Việt Nam là một quốc gia<br /> mà ngành nông nghiệp đóng vai trò chủ đạo<br /> thì nhu cầu về thông tin thời tiết, về sự thay<br /> đổi mùa, càng cần thiết hơn bao giờ hết. Để<br /> hạn chế những tác động này, các quốc gia trên<br /> thế giới và Việt Nam đã không ngừng đầu tư<br /> khoa học công nghệ, nghiên cứu các lĩnh vực<br /> khí tượng thủy văn, thời tiết. Sự phát triển của<br /> khoa học kỹ thuật trong nghiên cứu, ứng dụng<br /> và giám sát, theo dõi những biến động của<br /> thời tiết khí hậu, giới nghiên cứu khoa học khí<br /> tượng trên thế giới đã tạo ra những sản phẩm<br /> thiết yếu cho đời sống dân sinh góp phần<br /> giảm nhẹ những thiệt hại do thiên tai gây ra<br /> nhằm đảm bảo sự an toàn về tính mạng, tài<br /> sản cho toàn xã hội.<br /> Trên thực tế tại Việt Nam hiện nay đã áp<br /> dụng hệ thống quan trắc môi trường quốc gia<br /> và hệ thống quan trắc môi trường địa phương<br /> sử dụng các hệ thống, thiết bị của các hãng<br /> (điển hình như: Trạm thời tiết WeaPro; Trạm<br /> quan trắc, giám sát thời tiết iMetos 3.3; Hệ<br /> thống quan trắc khí thải công nghiệp ECAGPIs6.6DA;…). Tuy nhiên, theo tình hình<br /> thực tế hiện nay, những trạm quan trắc môi<br /> trường, thời tiết thường có chung những đặc<br /> điểm như sau: thiết bị khá cồng kềnh nên phải<br /> đặt tại một nhà trạm cố định, không thể di<br /> chuyển đến vị trí khác để sử dụng; Việc sửa<br /> chữa trạm khi có sự cố cũng gặp nhiều khó<br /> khăn; chi phí để xây dựng trạm cần có nguồn<br /> kinh phí lớn; Việc đo đạc những thông số<br /> môi trường, thời tiết tại những nơi có dấu<br /> hiệu ô nhiễm phải thực hiện thủ công,…<br /> Trong nghiên cứu này sẽ định hướng vào việc<br /> sử dụng công nghệ điện tử truyền thông kết<br /> hợp với lĩnh vực công nghệ thông tin vào việc<br /> xây dựng sản phẩm “Trạm quan trắc thời tiết”<br /> với các tính năng như sau:<br /> 126<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> - Thiết bị với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng<br /> cho việc di chuyển và đo đạc số liệu tại các<br /> điểm hiện trường khác nhau.<br /> - Cung cấp và lưu trữ chuỗi số liệu liên tục<br /> thông qua mạng không dây với các thông số:<br /> Nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng mưa,... Kết quả<br /> này sẽ được lưu trữ trên thiết bị điện thoại di<br /> động với lịch sử và thời gian cụ thể, phục vụ<br /> cho công tác thống kê.<br /> - Quá trình đo đạc được thực hiện hoàn toàn<br /> tự động thông qua việc điều khiển bởi phần<br /> mềm trên điện thoại di động hoặc hệ thống<br /> phím bấm trên thân của thiết bị.<br /> - Giao diện chương trình được thiết kế trên<br /> điện thoại di động đảm bảo sự thân thiện khi<br /> sử dụng, tương thích với các thiết bị điện<br /> thoại sử dụng hệ điều hành Android.<br /> - Thiết bị được điều khiển từ xa thông qua<br /> môi trường không dây bởi điện thoại di động<br /> sẽ tạo sự thuận tiện trong quá trình vận hành<br /> sử dụng.<br /> - Thiết kế và xây dựng chương trình xử lý về<br /> điện thoại di động và gửi thống kê số liệu về<br /> Internet từ các đầu đo cảm biến để có thể theo<br /> dõi liên tục các chỉ số từ môi trường, thời tiết.<br /> <br /> Hình 1. Ví dụ về mạng lưới ra đa cảnh báo dông sét<br /> <br /> 2. Xây dựng nội dung, mục tiêu và kết quả<br /> nghiên cứu<br /> 2.1 Nội dung nghiên cứu<br /> Nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ hiện có<br /> để xây dựng một hệ thống quan trắc dự báo<br /> thời tiết với hai thành phần cơ bản [1]:<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> - Thiết kế sản phẩm phần cứng: Trình bày chi<br /> tiết việc thiết kế phần cứng, bao gồm sơ đồ khối<br /> các khối, mạch layout và triển khai thực tế.<br /> - Thiết kế phần mềm: Trình bày về các giải<br /> thuật được sử dụng gồm giải thuật toàn bộ hệ<br /> thống, giải thuật lưu trữ tập lệnh. Xây dựng<br /> phần mềm xử lý dữ liệu. Xử lý dữ liệu, phân<br /> tích và điều khiển hệ thống.<br /> 2.2 Mục tiêu nghiên cứu<br /> Đẩy mạnh việc áp dụng khoa học công nghệ<br /> cao vào quá trình thiết kế xây dựng thiết bị<br /> theo dõi các thông số thời tiết và môi trường<br /> trong việc đánh giá điều kiện thời thiết hiện<br /> tại và dự báo thời tiết tương lai. Thiết bị đảm<br /> bảo tính linh hoạt, thuận tiện trong quá trình<br /> sử dụng như:<br /> - Thiết kế, chế tạo hệ thống bao gồm các cảm<br /> biến có thể đo đạc được những chỉ số quan<br /> trọng như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển,<br /> tốc độ gió, lưu lượng mưa,...<br /> - Thiết kế khối cảnh báo, cảnh báo kịp thời<br /> cho người sử dụng khi các chỉ số môi trường,<br /> thời tiết thay đổi.<br /> - Thiết kế và xây dựng chương trình xử lý và<br /> gửi thông tin thống kê số liệu qua Internet từ<br /> các đầu đo cảm biến tới điện thoại di động để có<br /> thể theo dõi liên tục các chỉ số từ môi trường và<br /> thời tiết, đưa ra giải pháp xử lý kịp thời.<br /> - Thiết kế, thi công hoàn chỉnh phần cứng hệ<br /> thống hoạt động an toàn, ổn định với chi phí<br /> thấp nhất có thể.<br /> 2.3 Đối tượng nghiên cứu<br /> - Sản phẩm được nghiên cứu và chế tạo để<br /> phục vụ cho quá trình theo dõi thông số thời<br /> tiết và môi trường trong việc đánh giá điều<br /> kiện thời thiết hiện tại và dự báo thời tiết<br /> tương lai.<br /> - Các thiết bị, linh kiện điện tử phục vụ cho<br /> việc thiết kế chế tạo sản phẩm,…<br /> 2.4 Phạm vi nghiên cứu<br /> Nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm thực tế tại<br /> một số địa bàn thuộc tỉnh Thái Nguyên.<br /> 2.5 Kết quả đạt được<br /> Sản phẩm của nghiên cứu này là mô hình<br /> thiết bị quan trắc thông số thời tiết và môi<br /> trường. Hệ thống bao gồm các tính năng sau:<br /> - Thiết bị với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng<br /> cho việc di chuyển và đo đạc số liệu tại các<br /> điểm hiện trường khác nhau.<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> - Cung cấp và lưu trữ chuỗi số liệu liên tục<br /> thông qua mạng không dây với các thông số:<br /> Nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng mưa,... Kết quả<br /> này sẽ được lưu trữ trên thiết bị điện thoại di<br /> động với lịch sử và thời gian cụ thể, phục vụ<br /> cho công tác thống kê.<br /> - Quá trình đo đạc được thực hiện hoàn toàn<br /> tự động thông qua việc điều khiển bởi phần<br /> mềm trên điện thoại di động hoặc hệ thống<br /> phím bấm được tích hợp trên thiết bị.<br /> - Giao diện chương trình được thiết kế trên<br /> điện thoại di động đảm bảo sự thân thiện khi<br /> sử dụng, tương thích với các thiết bị điện<br /> thoại sử dụng hệ điều hành Android.<br /> - Thiết bị được điều khiển từ xa thông qua<br /> môi trường không dây hoặc qua mạng<br /> Internet bởi điện thoại di động sẽ tạo sự thuận<br /> tiện trong quá trình vận hành sử dụng.<br /> - Thiết kế và xây dựng chương trình xử lý về<br /> điện thoại di động và gửi thông tin thống kê<br /> số liệu về Internet từ các đầu đo cảm biến để<br /> có thể theo dõi liên tục các chỉ số từ môi<br /> trường, thời tiết.<br /> 3. Thiết kế, xây dựng phần cứng và phần<br /> mềm hệ thống<br /> 3.1 Giới thiệu<br /> Hệ thống trạm quan trắc thời tiết có nhiệm vụ<br /> thu nhận thông số nhiệt độ, độ ẩm, mưa thông<br /> qua các cảm biến rồi lưu trữ trên hệ thống<br /> mạng internet và gửi về điện thoại [2].<br /> Hệ thống có thiết kế gồm 5 khối với các chức<br /> năng chính như sau:<br /> +<br /> Khối nguồn: Cung cấp dòng điện<br /> nuôi vi điều khiển và các cảm biến cũng như<br /> toàn bộ các linh kiện trên mạch cứng.<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống<br /> <br /> 127<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> + Khối vi điều khiển: Có nhiệm vụ thu nhận<br /> các thông tin gửi về từ các cảm biến và gửi<br /> các thông tin này lên cơ sở dữ liệu trên mạng<br /> Internet.<br /> + Khối cảm biến: Chuyển các thông số thông tin<br /> môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa từ<br /> giá trị tương tự (Analog) về giá trị số (Digital) để<br /> thiết bị vi điều khiển có thể hiểu được.<br /> + Khối Internet: là cơ sở dữ liệu MySQL nằm<br /> trên mạng Internet. Các thông số gửi lên từ vi<br /> điều khiển được lưu trữ tại đây và có thể truy<br /> cập, kết nối bằng điện thoại có kết nối<br /> Internet.<br /> + Khối Smartphone: là ứng dụng trên điện<br /> thoại di động giúp lấy dữ liệu từ cơ sở dữ liệu<br /> trên Internet và hiển thị cho người theo dõi<br /> đọc được các thông tin.<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> 3.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm DHT11<br /> DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thông<br /> dụng với chi phí rẻ và lấy dữ liệu dễ dàng, sử<br /> dụng giao tiếp số theo chuẩn một dây. Cảm<br /> biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp<br /> dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần<br /> phải qua bất kỳ tính toán nào.<br /> <br /> Hình 4. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ chân Node MCU DEVKIT<br /> <br /> 3.2 Lựa chọn linh kiện<br /> 3.2.1 Board phát triển Node MCU DEVKIT<br /> Node MCU DEVKIT là tên gọi của Main<br /> Board tích hợp dựa trên nền chip ESP-12E<br /> với thiết kế dễ sử dụng, có thể kết nối WiFi<br /> với một vài thao tác. Board còn tích hợp IC<br /> CP2102 dễ dàng giao tiếp với máy tính thông<br /> qua Micro-USB.<br /> Node MCU DEVKIT có cấu tạo gồm 30 chân,<br /> trong đó có các chân cung cấp nguồn nuôi cho<br /> toàn bộ Board (Vin, GND, 3V3); có 13 chân dữ<br /> liệu vào ra GPIO (00, 01, 02, 03, 04, 05, 09, 10,<br /> 12, 13, 14, 15, 16); có 1 chân Analog ADC0;<br /> các chân EN, RST sử dụng trong quá trình reset<br /> và nạp chương trình cho Board.<br /> 128<br /> <br /> Thông số kỹ thuật của DHT11:<br /> + Nguồn: 3 -> 5 VDC.<br /> + Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).<br /> + Đo tốt ở độ ẩm 2080% RH với sai số 5%.<br /> + Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C.<br /> + Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)<br /> + Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm.<br /> + Có 4 chân, khoảng cách mỗi chân là 0.1''.<br /> 3.2.3 Cảm biến mưa<br /> Cảm biến mưa là một loại cảm biến đơn giản,<br /> sử dụng để phát hiện mực nước, trời mưa hay<br /> các môi trường có nước.<br /> <br /> Hình 5. Cảm biến mưa<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> Cảm biến gồm hai phần:<br /> + Tấm Raindrops được gắn ngoài trời.<br /> + Bộ phận điều khiển cần được che chắn.<br /> Tấm Raindrops thực chất là hai đường mạch<br /> đan vào song với nhau nhưng không nối vào<br /> nhau. Khi trời khô ráo, hai đường mạch riêng<br /> biệt không dẫn điện. Khi trời mưa, nước mưa<br /> rơi vào tạo ra môi trường dẫn điện giữa hai<br /> đường mạch, tùy thuộc vào độ bao phủ của<br /> nước mưa trên tấm Raindrops mà độ dẫn điện<br /> sẽ khác nhau.<br /> 3.3 Thiết kế kết nối phần cứng<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> Nguyên lý hoạt động:<br /> + Dòng điện một chiều từ nguồn pin đi vào IC<br /> ổn áp 7805.<br /> + IC 7805 - IC ổn áp là mạch tích hợp sẵn<br /> trong gói TO-220 với một điện áp đầu ra cố<br /> định là 5V, yêu cầu điện áp đầu vào tối thiếu<br /> là 7V: sụt áp 12V xuống 5V xuất ra OUT.<br /> + Tụ C2 C3 phóng nạp san phẳng mức điện áp.<br /> + Tụ C4 C5 có tác dụng chống nhiễu cho<br /> khối nguồn.<br /> - Khối cảm biến:<br /> <br /> 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý<br /> Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế sơ đồ<br /> nguyên lý phần cứng và sử dụng phần mềm<br /> Arduino IDE để lập trình cho phần cứng.<br /> <br /> Hình 8. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến<br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị<br /> <br /> Nguyên lý hoạt động:<br /> + Các cảm biến nhiệt độ độ ẩm và cảm biến<br /> mưa đo đạc thông số môi trường rồi gửi về vi<br /> điều khiển.<br /> + Vi điều khiển thực hiện kết nối với mạng<br /> Internet thông qua sóng WiFi và gửi các thông<br /> số nhận được từ cảm biến lên cơ sở dữ liệu.<br /> 3.3.2 Sơ đồ các khối trong mạch<br /> - Khối nguồn:<br /> <br /> Nguyên lý hoạt động:<br /> + Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 và cảm<br /> biến mưa sử dụng nguồn 5V được lấy ra từ<br /> khối nguồn.<br /> + Dữ liệu gửi về từ cảm biến DHT11 là một<br /> byte dữ liệu, điện áp các bit dữ liệu được hỗ<br /> trợ từ nguồn nuôi, điện trở R1 có chức năng<br /> giảm dòng trực tiếp từ nguồn nuôi tránh làm<br /> hỏng vi điều khiển và cảm biến.<br /> + Cảm biến mưa hoạt động dựa trên việc so<br /> sánh điện áp đặt trước với giá tri điện áp đo<br /> được từ tấm Raindrop. Khi trời khô các<br /> đường mạch trên tấm Raidrop không thông,<br /> giá trị điện áp ở mức 5V lớn hơn giá trị đặt<br /> trước và ngược lại khi trời mưa nước dẫn điện<br /> khiến các đường mạch thông nhau và thông<br /> về mass, điện áp giảm xuống thấp hơn.<br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn<br /> <br /> + Điện trở R2 có nhiệm vụ giảm dòng điện<br /> trên tấm Raindrop, tụ C1 có khả năng lọc<br /> nhiễu tín hiệu, biến trở RV1 dùng để điều<br /> chỉnh điện áp đặt trước, IC so sánh LM324 có<br /> nhiệm vụ so sánh hai điện áp đầu vào và xuất<br /> ra tín hiệu ở mức cao hay thấp.<br /> <br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> 129<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản